CN104136952B - 用于改变激光束的光束参数积的光学器件和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于材料激光加工系统的光传送波导，包括在传送波导的输出端处的小透镜，其将波导内部的激光束发散度转换成在透镜之后的光斑尺寸。通过改变发射到波导中的激光束的输入会聚角和/或发射角，可连续改变输出光斑尺寸，从而实现在工件上的连续和实时的激光光斑尺寸调节，而不必更换传送波导或加工头。激光束的发散度也可与光斑尺寸一致地被动态地调节。

Description

用于改变激光束的光束参数积的光学器件和方法
技术领域
本发明涉及激光材料加工，且特别是涉及激光束传送(delivery)。
背景技术
激光材料加工具有很多优点，包括高生产率、加工的非接触性质、提高的质量、以及激光束传送点的高精确度和可移动性。激光束目前用于切割、钻孔、焊接、铜焊、表面退火、合金化、硬化和其它应用。光纤常常用于将高功率和/或高强度的激光束传送到目标。
光纤传送激光材料加工系统一般包括下面的部件：激光器，例如光纤激光器；光耦合器单元，其也被称为开关盒或快门盒；加工光纤(也被称为“传送光纤”)，其一般为10-50m长，在加强电缆中并且其两端是可插的；以及加工头。加工头是光学组件，该光学组件包括用于加工光纤的插座、用于投射激光功率的光学器件、和用于基于激光的加工的任何所需附件，例如辅助气体出口。激光发射通过自由空间或通过单独的光纤传输到光耦合器单元中。光耦合器单元将所述激光发射发射到加工光纤中，加工光纤将激光传输到加工头。加工头将激光投射到工件上，以执行所需的加工任务。
这样的系统与很多不同的加工类型(包括切割、焊接、热处理等)一起使用，并与很多不同的材料类型、厚度和几何结构一起使用。所期望的焦斑尺寸、发散度和在工件处的光束质量根据加工类型和相关的加工参数而发生广泛变化。因为加工头一般是成像设备，其被构造成使用最少的部件来产生最佳可能的光斑，所以，工件附近的光斑一般是该光斑的图像，或更具体地，是在加工光纤输出端处的通过加工头的放大率按比例调整的光束腰。光束腰半径和发散度(半角)的积是以毫米-毫弧度(mm-mrad)为单位表示的被称为光束参数积(BPP)的常量。
为了产生激光束的不同光斑尺寸和/或不同发散度，人们通常用不同芯尺寸的另一光纤置换加工光纤，或用不同放大率的另一个头置换加工头。传送光纤和/或加工头的物理置换的过程是耗时的和不方便的，并可导致敏感光纤尖端的污染或甚至损坏。
德国Ditzingen的通快公司(Trumpf GmbH)最近报告了包含两个不同尺寸的波导的特别构造的传送光纤，一个中心芯由包层、并接着由环形第二芯围绕，提供给用户圆光束或较大的圈饼状光束的选择(PCT专利申请WO 2011/124671A1)，从而提供两个离散的BPP值。通过这种技术可得到的粗略选择可以用于在例如切割和焊接之间切换，但对于精细调节在各种加工类型当中的加工或切换，具有连续BPP可变性则有用得多。
Ortiz在美国专利5,245,682中公开了光束质量控制系统，其中通过切换聚焦到传送光纤中的激光束的发散度来控制在传送光纤的输出端处的发散度。参考图1A到1C，Ortiz的光纤耦合激光系统100包括激光器101、具有不同的焦距的三个透镜102A-102C、以及分别具有输入端104和输出端105的传送光纤103。透镜102A-102C被安装在平移台110上，允许透镜102A-102C一次一个地插入由激光器101发射的激光束107的光束路径106中。例如，在图1A中，具有三个透镜102A-102C中的最大焦距的第一透镜102A被插入光束路径106中，导致聚焦在传送光纤103的输入端104上的会聚激光束108的最小光束会聚角α。在图1B和1C中，会聚激光束108的会聚角α随着第二透镜102B和第三透镜102C的焦距的逐步减小而分别增加。
由于其相对刚性和缺乏由刚硬壳体提供的尖锐折弯，传送光纤103维持在传送光纤103内部的射线角，导致在输出端105处的发散激光束109的发散角β接近会聚激光束108的相应会聚角α。因此，当透镜从102A切换到102C时，发散激光束109的发散角β以阶跃状方式改变，这使得能够实现对于被传送到工件(未示出)的发散激光束109的BPP的切换。不利地，Ortiz系统需要透镜102A-102C和/或光纤103的输入端104被重新定位或与测微计精度对准，这限制了这样的系统的实际应用性。此外，激光束107需要被中断以使切换发生，这可能在一些应用中是不方便的或甚至有害的。此外，因为主要负责激光加工作用的是聚焦激光束的光功率密度或强度，需要改变光斑尺寸而不仅仅是输出光束的发散度。
Imakado等人在美国专利7,151,788中公开了激光加工设备，其中也通过改变输入发散度来改变传送到工件的激光束的BPP，导致在传送光纤的输出处的输出发散度改变。聚光透镜将离开传送光纤的激光束重新聚焦到目标上的焦斑中。由聚光透镜实现的焦斑尺寸取决于离开传送光纤的激光束的发散度，这暗示透镜必须具有相当大的像差水平。作为结果，当输入发散度改变时，聚焦光斑尺寸改变。不利地，当为了高BBP而调节这样的系统时，聚焦光斑将模糊且将缺乏机械加工所需要的清晰边缘。此外，作为发散度的函数的光斑尺寸的变化很可能相对不太大；发散度变化可能比光斑尺寸对总BPP变化的贡献大得多。
现有技术缺乏这样的激光材料加工系统，其中BPP且特别是光斑尺寸将平稳地、连续地和实时地变化，具有边界清晰的焦斑。因此，本发明的目的是提供这样的激光材料加工系统和方法。
发明内容
本发明使用传送光纤的发散度维持特性来通过将小角度补偿透镜放置在传送光纤的出射端附近来在光纤输出处或附近产生可控光束腰尺寸。在本文被称为“出射透镜”的角度补偿透镜具有非常短的焦距，例如10mm或更小，更优选地1mm或更小。出射透镜的功能是将光纤内部的射线的被维持的角分布转换成射线坐标分布，因而在接近传送光纤的输出端的出射透镜的焦平面处或附近产生小的边界清晰的光束腰。光斑的尺寸几乎线性地取决于发散度，以改变光斑尺寸，发散度可通过改变聚焦在光纤尖端上的激光束的输入会聚角来改变。
本发明不是(或不仅仅是)改变输入会聚角，就可以实现改变进入传送光纤中的发射角。方便地，这可通过移动在“入射透镜”前方的激光束来完成，入射透镜可与出射透镜类似或相同的方式被制造。入射透镜将光聚焦到传送光纤中。由于它的旋转对称性，传送光纤快速平均化在光纤内部的单独射线的方位角。作为结果，输出发散度实质上是旋转对称的。当在入射透镜前方移动激光束时，对称输出发散度改变，且出射透镜将该变化转换成在传送光纤-出射透镜组件的输出处的光斑尺寸的变化。传送光纤可被制造成与入射透镜和出射透镜成一整体，入射透镜和出射透镜优选地是梯度折射率(GRIN)透镜。端盖可熔合到GRIN透镜的外部光学表面。端盖的入射表面和出射表面可以是抗反射涂覆的。常规阶跃折射率传送光纤是优选的，虽然也可使用其它光纤类型，如下面将要解释的。
根据本发明，提供用于改变激光束的光束参数积的光学器件，该器件包括：
输入端口，其用于将激光束输入到光学器件中；
光束发射器，其被光学地耦合到输入端口；以及
光波导子组件，其被光学地耦合到光束发射器，光波导子组件包括具有第一端和第二端、芯和包围芯的包层的光波导和耦合到第二端的出射透镜，所述芯和包层在所述光波导的第一端和第二端之间延伸；
其中光束发射器被配置成用于将激光束以会聚角和发射角发射到在波导的第一端处的波导的芯中，其中光束发射器被配置成用于改变会聚焦和发射角中的一个或多个；
其中在操作中，发射的激光束从光波导的第一端传播到第二端并穿过出射透镜，形成接近出射透镜的第一激光束腰，第一激光束腰具有直径；
其中在光波导的第二端处的局部射线角的分布，关于接近第二端的波导轴，实质上是旋转对称的；
其中当光束发射器改变会聚角和/或发射角时，接近出射透镜的第一激光束腰的直径改变，从而改变离开出射透镜的激光束的光束参数积。
在一个实施方式中，通过使用耦合到在波导的第一端和第二端之间的光波导的发散度调节元件来调节在光纤内部的光的发散度。发散度调节元件可包括在光波导中产生微弯的机械压制机，和/或被熔合到传送波导的被加热或被加应力的梯度折射率波导节段的一部分。在操作中，该元件调节在光波导内部的激光束的发散度，从而改变在出射透镜的焦平面处的第一激光束光斑的直径和/或发散度。
根据本发明的另一方面，还提供了用于在可变光束参数积下将激光束传送到目标的激光束传送系统，所述激光束传送系统包括：
用于改变激光束的光束参数积的上述光学器件中的任一个；以及
加工头，其被耦合到光学器件，所述加工头包括耦合到出射透镜的聚焦元件，用于使第一激光束光斑成像到目标上的第二激光束光斑上。
根据本发明的另一方面还提供了用于改变激光束的光束参数积的方法，其包括：
(a)提供具有第一端和第二端、芯和包围芯的包层的光波导和耦合到第二端的出射透镜，所述芯和包层在光波导的第一端和第二端之间延伸
(b)将激光束以会聚角和/或发射角发射到光波导的第一端中；
(c)使在步骤(b)中发射的激光束在光波导中从第一端传播到第二端，以便使由光波导引导的激光束的射线角能够在第二端处形成实质上旋转对称的分布，同时实质上维持局部射线角的幅度相对于光波导的光轴的分布；
(d)引导激光束穿过出射透镜，在离开出射透镜的激光束中形成第一激光束腰，其中由于在步骤(c)中形成的光波导的第二端处的射线角的旋转对称性，第一激光束腰实质上是旋转对称的；以及
(e)改变会聚角和/或发射角，以改变离开出射透镜的激光束的光束参数积。
附图说明
现在将结合附图描述示例性实施方式，其中：
图1A到1C是具有光纤传送的激光的可切换发散度的现有技术光纤耦合激光系统的示意图；
图2A是本发明的光波导子组件的纵向横截面视图；
图2B和2C是用于改变激光束的光束参数积的光学器件的纵向横截面视图，该光学器件包括图2A的子组件；
图3A到3D是在图2C的光波导子组件的输出处的激光斑的模拟光斑图；
图4是本发明的激光束传送系统的示意性横截面视图；
图5是图4的激光束传送系统的加工头的光射线描迹图；
图6是安装在挠性底座上的图4的激光束传送系统的补偿透镜的前视图；
图7是包括传送光纤、GRIN入射透镜和出射透镜及一对端盖的本发明的波导子组件的侧立视图；
图8是根据本发明的复合GRIN出射透镜的侧立视图；
图9A是在光波导中产生微弯以增加输出发散度的机械发散度调节元件的侧横截面视图；
图9B是加热梯度折射率光纤发散度调节元件的侧横截面视图；
图10是耦合到光波导的、用于消除在波导的输出处的散斑图的压电元件的侧横截面视图；
图11A到11C是阶跃折射率单包层光纤、阶跃折射率双包层光纤和梯度折射率光纤的横截面视图；以及
图12是包括图4的激光束传送系统的激光材料加工系统的示意图。
具体实施方式
虽然结合各种实施方式和例子描述了当前的教导，但意图并不是当前的教导被限制到这样的实施例。相反，当前的教导包括各种可选、修改和等效形式，如本领域中的技术人员将认识到的。
一般阶跃折射率光纤总是在光纤的输出端处传送大致相同的光斑尺寸的光束，因为光束由阶跃折射率芯的周长限制。然而，在理想光纤的情况下，在光纤内部的光的发散角仍然被保持，只要它小于光纤所支持的最大反弹角，其由下式给出：
在这里，NA是光纤数值孔径，n1是芯的折射率，且n2是包层的折射率。在整个本公开中，所有反弹角和发散度都用空气中的角度来表达。在光纤内部，角度根据斯涅尔定律减小。
在实际光纤中，由于光纤微弯和大弯曲及在尺寸、形状和芯的折射率的均匀性中的不完美性，发散角并不是完全被维持。在一般现代加工光纤或波导中，通过使用大外径以使光纤变得足够硬以减小弯曲的出现，并同时通过使用小芯直径，借助于精确制造来实现发散角维持的可接受水平。作为例子，加工波导的玻璃包层部分的外径可以是250微米或更大，常常是400微米或更大，且芯直径可以是200微米或更小，常常是100微米或50微米或更小。在这样的波导中，具有0.10弧度的内部发散角的光，例如，可在数十米的距离上以增加不大于10％-20％的发散度进行传播。这个基本上维持的发散度可用于，通过以受控会聚角发射激光束以便在波导内部产生激光束的预定发散度，同时通过在波导的出射端附近布置小透镜以便将所维持的发散度转换成在透镜的焦平面处的光斑尺寸，从而得到期望光斑尺寸。
参考图2A，本发明的光波导子组件200包括具有芯204和在光波导202的分别第一端208和第二端210之间包围芯204的包层206的光波导202，以及光学地耦合到所述第二端210的出射透镜212。在所示实施例中，出射透镜212具有布置在光波导202外部并与光波导202的第二端210相对的焦平面214。在出射透镜212近似为薄透镜的例子中，透镜212被布置在离第二端210大约一个焦距f处，且焦平面214被布置在从出射透镜212经过一个焦距f处。第二端210和透镜212可被布置成离彼此不是精确为一个焦距f处，有一个f距离的20-40％的变化。
在操作中，以实线示出的第一激光束215在光波导202的第一端208处以第一会聚角θ1发射到芯204中。第一激光束215在其第二端210处离开光波导202并由出射透镜212进行准直，在出射透镜212的焦平面214处形成第一激光束腰217。第一激光束腰217以实线示出。为了说明输入会聚角θ如何影响输出光束腰的尺寸，以虚线示出的第二激光束216以小于第一会聚角θ1的第二会聚角θ2被发射到在光波导202的第一端208处的芯204中。第二激光束216在其第二端210处离开光波导202，并由出射透镜212进行准直，在出射透镜212的焦平面214处形成第二激光束腰218。第二激光束腰218以虚线示出。第二激光束腰218小于第一激光束腰217。因此，当输入会聚角θ变化时，在光波导子组件200的出射透镜212的焦平面处的光束腰的尺寸也以对小角度θ近似成比例的方式改变。
在图2A所示的实施例中，光束腰217在焦平面214处形成，离出射透镜212一个焦距f。光束腰217也可在接近出射透镜212的某个地方形成，且光束腰217的直径将是可变的，如上所述。在图2A中，腰217与焦斑重合，但不需要总是这种情况。
在整个说明书中，光束腰217被定义为在该处激光束具有在本文被称为“腰直径”的最小横向尺寸的光斑。应理解，虽然术语“直径”被使用，光束腰217不需要一定是圆形的。如一般由本领域中的技术人员测量的，可使用例如二阶矩法或包覆86％功率法来测量腰直径。腰217可以是真实的，即，布置在出射透镜212的焦平面214之中或之后，或可以是虚拟的，即，看起来位于出射透镜212的焦平面214之前，或甚至在出射透镜212之前。在本文公开的大部分实施例中，腰217是真实的，但在非四分之一节距GRIN或像差GRIN透镜212的情况下，可能得到布置在透镜212内或甚至在光波导202内接近其第二端210(例如，距离10毫米以内)的虚拟腰217。
转到图2B，用于改变第一激光束221的光束参数积的光学器件220包括用于将第一激光束221输入到光学器件220中的输入端口224、光学地耦合到输入端口224的光束发射器226，以及光学地耦合到光束发射器226的光波导子组件200。光束发射器226包括用于将射到其上的第一激光束221发射到光波导202的第一端208中的入射透镜228，以及用于提供在第一激光束221和入射透镜228的光轴之间的可变横向位移y1的移动装置230，例如平移台，用于在可变发射角γ1处将第一光束221发射到在光波导202的第一端208处的芯204中。
在操作中，光波导202平均化在光波导202内部的所发射的第一激光束221的单独射线的方位角，在出射透镜212的焦平面214处形成第一腰231。作为结果，在光波导202的第二端210处的局部射线角的分布，关于接近第二端210的波导轴，实质上是旋转对称的。芯204实质上填充有在光波导202的第二端210附近的激光束221的光。
为了说明发射角γ如何影响输出光斑的尺寸，以虚线示出的第二激光束222在比第一横向位移y1小的第二横向位移y2处被发射。入射透镜228使第二激光束222以小于第一发射角γ1的第二发射角射γ2射到光波导202的第一端208上，将第二激光束222发射到在光波导202的第一端208处的芯204中。光波导202平均化在光波导202内部的所发射的第二激光束222的单独射线的方位角，在出射透镜212的焦平面214处形成第二腰232。第二腰232具有比第一腰231小的直径。因此，当激光束221的会聚角θ和/或发射角γ通过光束发射器226被改变时，在出射透镜212的焦平面214处的激光束腰231的直径被改变，由此，离开出射透镜212的激光束的光束参数积被改变。
光束发射器226也可被配置成使用本领域中已知的设备和方法来改变如图2A所示的输入会聚角θ。此外，光束发射器226也可被配置成同时改变输入会聚角θ和发射角γ。
输入会聚角θ和发射角γ的同时变化开辟了一些有趣的可能性，允许光学器件220用于不仅改变腰217、218、231、232的尺寸，而且改变腰217、218、231、232的形状，也就是，在腰217、218、231、232内的光功率密度的分布。现在参考图2C，进一步参考图2B，光学器件240类似于图2B的光学器件220，差异是光束发射器246包括用于同时改变输入激光束241的尺寸和位置的可变器件250，从而同时改变输入激光束241的输入会聚角θ和发射角γ。在图2C中，激光束241的单独射线的发射角(未示出)不包括零发射角。当在光波导202的芯204中传播并穿过出射透镜212时，激光束241形成环(圈饼)形的光斑251。光斑251的形状可被调节，以形成高斯形状、如所示的圈饼形状，或平顶形状，如果需要的话。作为非限制性例子，可变器件250可包括用于扩大或收缩光束241的直径的变焦透镜(未示出)，其配备有与平移器230类似的平移器，以预定量对变焦激光束241进行补偿。光束发射器226和可变设备250的其它配置是可能的，只要这些配置以可变会聚角θ和/或可变发射角γ发射激光束221、241。
现在参考图3A到3D，进一步参考图3C，模拟光斑形状300A到300D对应于在从图3A到图3D中的激光束241的逐渐增加的y坐标或高度h处的光斑251。在图3A中，光斑300A实质上是平顶的；而在图3B到3D中，形成具有逐渐增加的直径的环形或圈饼形光斑300B到300D。在从图3A到3D中，直径从30微米增加到100微米。平顶光斑300A可以对一些应用是优选的，例如对一些类型的激光焊接和激光热处理是优选的；圈饼形光斑300B到300D可以对其它应用(包括切割厚板金属例如软钢)是优选的。
回来参考图2A到2C，出射透镜212的焦距优选地是小的，例如不大于10mm，且更优选地不大于1mm。当使用不是四分之一节距或其奇数倍的GRIN透镜时，则它缺乏边界清晰的焦距；然而，这样的GRIN透镜应具有这样的折射率分布，即当其用在四分之一节距的长度中时，将产生不大于10mm且更优选地不大于1mm的焦距。当出射透镜212的焦距小时，在焦平面214处的第一腰217、218、231、232或251也小，这使它能够以小激光束光斑尺寸成像到工件(未示出)上。工件上的小光斑尺寸能够实现激光材料加工通常所需的高光功率密度。使用典型数字，光波导芯204可以在直径上是50微米，具有0.22的数值孔径(NA)。光波导202可以用0.10弧度最大发散度的光照射。因此，用户将固定的50微米，0.10弧度光斑成像到工件上。在本发明的一个实施例中，可调节光束发射系统将被用于以在0.06弧度和0.20弧度发散度之间的任何弧度的发散度将光发射到光波导202中。使用具有在光波导202的第二端210处的具有f＝250微米的焦距的出射透镜212，能将输出光束转换成具有固定发散度θOUT＝sin-1(25/250)＝0.10弧度，和具有在2R＝2×250×0.06＝30微米与2R＝2×250×0.20＝100微米之间的任何微米的可变腰直径，其中腰直径与光波导202内部的光束发散度成比例。BPP因此在本例中从0.10×30/2＝1.5mm-mrad改变到0.10×100/2＝5mm-mrad。激光束腰217或218的小直径使它能够以在工件上的实际上可用的光斑尺寸成像到工件上。
圆形芯波导的一个特征是，与非圆形芯波导相反，它们不将歪斜的或离轴的射线与经向的或轴上的射线混合，结果是，如果在波导202的第一端208处的强度分布不是径向均匀的，则它在波导202的第二端210处将通常也不是径向均匀的。在一个实施例中，芯204具有非圆形横截面，便于在光波导202的第二端210处的激光强度的均匀径向分布的形成，从而便于第一激光束腰217、218、231、232或251的均匀角度照明，这在某些应用中可能是优选的。用于确保均匀的角度照明的优选的非圆形的芯形状，非限制地，包括正方形、长方形、三角形、六角形、八角形、D形、波浪形、尖头形和星形。波导202在其第一端208和第二端210之间的长度优选地为至少1m。此外，优选地，为了改善射线角幅值的维持，包层206具有至少250微米的直径，以增加刚度并减少光纤弯曲。有利地，包层206是SiO2包层，用于改进的高功率处理，虽然也可使用其它包层类型。光波导202还可包括偏振维持波导、偏振化波导、手性波导或旋转波导，用于控制光波导202内部的激光束的偏振。
现在转到图4，激光束传送系统400包括图2B的光学器件220，和包括准直透镜404和聚焦透镜406的加工头402，准直透镜404被耦合到光波导子组件202的出射透镜212。加工头使激光束腰231成像到目标(工件)410上的第二激光束腰408上，如以射线412所示的。平移器或移动装置230包括准直透镜414和聚焦透镜416，以及布置在准直透镜414和聚焦透镜416之间的入射透镜228的上游的横向可移动透镜418，其用于横向移动激光束221，如以射线420所示的。横向可移动透镜418安装在平移台422上。移动装置230的准直透镜414和聚焦透镜416是固定在适当位置上的两个强透镜，其被对齐，用于精确耦合到入射透镜228的中心。横向可移动透镜418是弱透镜，其可被横向调节以相对于入射透镜228的光轴移动激光束221。激光束221的运动在这种情况下与横向可移动透镜418的运动成比例，根据横向可移动透镜418的焦距与聚焦透镜416的焦距的比按比例调整。因此，系统400允许激光束221相对于入射透镜228的光轴的非常精确的运动和/或倾斜。例如，如果横向可移动透镜418的焦距与聚焦透镜416的焦距的比是1:20，则激光束221的位置的1微米精细调节可以获得横向可移动透镜418的20微米的运动，这使用标准机械致动器来执行非常容易。可替换地，有可能省略透镜418，并通过移动透镜414和416中的任一个或两个，或通过调节透镜414和416之间的光束的方向(通过调节例如布置在透镜414和416之间的光束路径中的反射镜(未示出))，来调节激光束221的位置。
如上所述，高度优选地，出射透镜221是具有不大于例如1mm的短焦距的小和“强”的透镜。使用具有几毫米的大焦距的常规透镜来代替出射透镜212可能导致成像到工件410上的加工头的不可接受的大的光束直径。因此优选地使用直接集成到光波导202上的具有非常短焦距的透镜，使得新加工光纤组件是现有技术加工光纤的简易替代。短焦距透镜可通过熔合到光波导202的第一端208上来实现，如图4所示的具有凸外部光学表面的光纤端盖或梯度折射率透镜，导致单块结构。可替换地，分立微透镜可被刚性地安装在极其接近光波导202的端部208和210处，提供与端盖透镜或梯度折射率透镜相同的功能，但有下列缺点：添加两个光学表面和比当入射透镜228和出射透镜212分别被熔合到光波导202时可能更不稳定和易于污染的光路。在一个实施例中，入射透镜228和出射透镜212具有相同的焦距。入射透镜228和出射透镜212可以甚至是熔合到光波导202的端部208和210的相同的透镜，使得因而产生的单块结构是对称的，并可与面向平移器230的透镜228或212中的任一个一起使用。
转到图5，光射线描迹图500示出将出射透镜212的焦平面214处的第一激光腰231成像到目标410处的第二腰408上。优选地，加工头402的透镜404和透镜406的图像放大因子(被定义为第二激光束腰408和第一激光束腰231的直径的比)实质上不取决于焦平面214处的激光束的发散度的变化。这允许第一激光束腰231更加清晰地成像到目标410上，因为放大比率对输入发散度的角度依赖性的缺乏是低像差的指示，从而实现更加清晰的成像。
参考图6，横向可移动透镜418可被安装在挠性底座600上，用于可移动地安装横向可移动透镜418，如箭头602所指示的。挠性底座600在弹性阈值之下操作，允许透镜418的非常大量的横向移位，而在挠性底座600的弹簧参数中有很小或没有变化。挠性底座600是图4的平移器422的一部分。
转到图7，进一步参考图4，本发明的激光束传送波导组件700可用在激光束传送系统400中。激光束传送波导组件700包括阶跃折射率光波导202，其具有分别第一端208和第二端210，用于分别将激光束从第一端208引导到第二端210。第一梯度折射率光学元件701和第二梯度折射率光学元件702分别被熔合到第一端208和第二端210，用于分别将激光束耦合到光波导202的第一端208中并从第二端210耦合出去。可以例如是GRIN透镜的第一梯度折射率光学元件701和第二梯度折射率光学元件702分别对应于激光束传送系统400的入射透镜228和出射透镜212。第一端盖703和第二端盖704分别被熔合到分别第一梯度折射率光学元件701和第二梯度折射率光学元件702，用于将激光束分别传输到第一梯度折射率光学元件701和从第二梯度折射率光学元件702传输。第一端盖703的外光学表面705和第二端盖704的外光学表面706可以是抗反射(AR)涂覆的。此外，第一端盖703的外光学表面705和第二端盖704的外光学表面706可以弯曲，以便于分别将激光束到光波导202的第一端208的聚焦和离开光波导202的第二端210的激光束的准直。
在一个实施例中，出射透镜212具有被选择来产生离开出射透镜212的激光束的可变发散度和第一激光束腰217的可变直径的期望混合的像差，用于进一步以大于或小于光斑尺寸的变化率的速率改变离开出射透镜212的激光束的光束参数积。现在参考图8，出射透镜212包括优选地熔合到光波导202的第一梯度折射率光学元件801和优选地熔合到第一光学元件801的第二梯度折射率光学元件802。第一梯度折射率光学元件801具有半节距长度的一倍或整数倍的长度。第一光学元件801的径向梯度折射率分布实质上是非抛物线的，用于产生像差。第二梯度折射率光学元件802具有四分之一节距长度的一倍或奇数整数倍的长度。第二光学元件802的径向梯度折射率分布实质上是抛物线的，用于产生激光束的可变发散度和可变激光束腰直径的所期望的混合。
在操作中，以实线示出的第一光线804紧密地传播到分别第一梯度折射率光学元件801和第二梯度折射率光学元件802的光轴810。对于第一光线804，焦平面在第二梯度折射率光学元件802的外表面807处，因为第一光线804足够接近光轴810，以不经历第一梯度折射率光学元件801的折射率离理想抛物线分布的明显偏差。以虚线示出的第二光线806更远离光轴810传播。对于第二光线806，焦平面在布置在第二梯度折射率光学元件802内的平面808处，因为第一光线804足够远离光轴810，以经历第一梯度折射率光学元件801的折射率离理想抛物线分布的明显偏差。作为结果，当输入发射角改变时，产生激光束的可变发散度和可变激光束光斑尺寸的所期望的混合。可替换地，有可能通过省略第二梯度折射率光学元件802并利用具有四分之一节距长度的大约一倍或奇数整数倍的长度的有像差第一梯度折射率光学元件901来实现类似的效应。
实现输出激光束的可变发散度和可变腰直径的所期望的混合的又一方法是用于出射透镜212(具有除了四分之一节距或其奇数整数倍以外的长度的梯度折射率光学元件)。使用这样的非四分之一节距长度使出射透镜212不聚焦，由此，当输入发射角改变时，激光输出的发散度和光斑尺寸改变。
回来参考图2B，在本发明的一个实施例中，激光束221被离轴地发射到光波导202的第一端208中，因而在光波导202内部产生歪斜的射线。离轴发射具有产生输出光束的能力，该输出光束在延长的距离上是环形的、并可绕着光轴旋转。也被称为漩涡光束的这样的光束对某些专用材料加工应用可以具有有用的特性。可以，例如通过，在移动装置230产生横向位移的基础上，还将倾斜施加到输入端口224，通过相对于光波导202补偿入射透镜228，或在用于入射透镜228为梯度折射率透镜的情况下，通过使用在这样的梯度折射率透镜上的成角度进入表面，可以离轴地发射激光束221。这样的倾斜将优选地垂直于横向移动，即，垂直于图2B的平面而被施加，以便确保射线作为歪斜的射线被发射。离轴地发射激光束221的可选方法是，在优选地垂直于由移动装置230施加的横向移动方向的方向上，将横向移动施加到光束发射器226。再次参考图7，例如梯度折射率光学元件701将在稍微横向移动的位置处被附着到波导202。这样的增加的倾斜或移动应只被施加到在波导202之前的光学器件，而不被施加到在波导202之后的光学器件，例如梯度折射率元件702。此外，为了确保歪斜的射线在穿过波导202传播期间保持被维持，在这个实施例中，优选地，波导芯在横截面上是圆形的或椭圆形的。
在本发明的一个实施例中，发散度调节元件被布置在光波导202内或接近光波导202的中间节段，以调节在光波导内部的激光束的发散度，因而改变由出射透镜212形成的腰直径。参考图9A，发散度调节元件900A包括机械压制机单元902，机械压制机单元902包括耦合到光波导202的多个指状物903，用于在光波导202中产生可控制的微弯。微弯增加了在光波导202内部的激光束的发散度。
现在转到图9B的实施例，光波导202包括分别耦合到第一端208和第二端210的第一阶跃折射率波导节段908和第二阶跃折射率波导节段910。第三梯度折射率波导节段912耦合在第一阶跃折射率波导节段908和第二阶跃折射率波导节段910之间。发散度调节元件900B包括用于分别改变梯度折射率波导节段912的温度或长度的加热器904，从而改变光波导202内部的激光束的发散度。在梯度折射率波导节段912内的射线轨迹用射线920示出。第二阶跃折射率波导节段910的芯直径优选地大于第一阶跃折射率波导节段908的芯直径，以允许光更好地耦合到第二阶跃折射率波导节段910中。第一波导节段908是可选的，并可被省略。在这种情况下，光束将直接被发射到第三梯度折射率波导节段912中。
用于使用图9A和9B的实施例的发散度调节元件来改变激光束的光束参数积的光学器件并不要求光束发射器226改变激光束的输入会聚角，因为可以通过调节光波导202内部的发散度来改变离开出射透镜212的激光束的光束参数积。
转到图10，进一步参考图4，振动单元1000优选地被耦合到光波导202，用于在激光束被发射到其中时，对光波导202进行振动(如用箭头1002所示)，以减小第一激光束腰231的散斑结构和相应地减小目标(工件)410上的第二激光束腰408。振动单元1000可包括例如声换能器、超声换能器或机械振动器。
本发明可以与很多类型的光传送波导一起工作。参考图11A到11C，在横截面中示出光波导202。在图11A中，光波导202是具有芯204和包层206的阶跃折射率光纤。折射率分布1110A示出单折射率阶跃。在图11B中，双包层光波导1112具有分别由第一包层1116和第二包层1118围绕的芯1114。折射率分布1110B显示对应于芯1114和第一包层1116的两个折射率阶跃。在图11C中，梯度折射率波导1120具有逐步变化的折射率，优选地折射率成抛物线变化，如由折射率分布1110C所示的。所有这些波导类型可被使用来代替光波导202。此外，可使用光子晶体和/或微结构化的波导。光子晶体波长通常可在比阶跃折射率光纤大的发散度下引导激光束。由光子晶体波导提供的一些有趣的可能性包括设计在输出腰直径和输出发散度之间的期望的函数关系的能力，因而以变化的光束尺寸和目标410处的光束发散度的预定比来改变BPP。
现在参考图12，本发明的激光材料加工系统1200包括图4的光纤传送系统400，用于将激光束1204传送到目标410。光纤传送系统400还附加有快门盒1202和用于使第二激光束腰408(见图4)在目标410上成像的照相机1210。激光材料加工系统1200还包括用于提供激光束1204的激光器1206和耦合到照相机1210的照相机控制器1212，其中所述激光器1204经由输入光纤1208被耦合到快门盒1202。快门盒1202包括用于提供被传送到目标410的激光束1204的可控中断的快门1214。光束发射器230优选地被布置在快门盒1202内。输入光纤1208被耦合到快门盒1202内的输入端口224。照相机控制器1212被配置成用于确定由照相机1210成像的第二光束腰408的直径，并被耦合到横向可移动透镜418的平移器422，用于调节横向可移动透镜418的横向位置。照相机控制器1212还被配置成调节发射到光波导202中的激光束的会聚角和/或发射角，以达到在目标410上的第二激光束腰408的直径的预定值，如上面所解释的。激光材料加工系统1200还可以包括未示出的适当放置的拉曼滤波器，用于抑制在光波导202中由激光束的拉曼散射产生的光。
对于横向可移动透镜418的每次移动，可通过使用照相机1210测量目标410上的第二激光束腰408的直径来校准激光材料加工系统1200。这些测量用于产生传递曲线或查找表，以实现激光材料加工系统1200的闭环操作，允许在目标410上的第二腰408的直径的动态的、在进行中的实时变化。例如，在激光切割中，初始光斑尺寸可以被减小，以便于激光束1204穿透目标410，且随后为了更好的切割操作，光斑尺寸可增加。此外，激光材料加工系统1200可以被配置成在具有所期望的光功率密度分布(包括图3A的平顶分布和图3B到3D的环形分布)的目标410上提供第二腰408。
通常，用于改变激光束的光束参数积的方法包括：
(a)提供光波导子组件200，所述光波导子组件200包括具有分别第一端208和第二端210的阶跃折射率光波导202以及耦合到第二端210的出射透镜212；
(b)将激光束215以可变会聚角和/或以可变发射角发射到光波导202的第一端208中；
(c)使在步骤(b)中发射的激光束215在光波导202中传播，以使由光波导202引导的激光束215的射线角能够在第二端210处形成实质上旋转对称的分布，同时实质上维持局部射线角的幅度相对于光波导202的光轴的分布；
(d)使在步骤(c)中传播的激光束215离开光波导202的第二端210，并穿过出射透镜212传播，在离开出射透镜212的激光束中形成第一激光束腰217，其中由于在光波导202的第二端210处的射线角的旋转对称性，第一激光束腰217实质上是旋转对称的；以及
(e)改变会聚角和/或发射角，以改变离开出射透镜212的激光束215的光束参数积。
在一个实施例中，在步骤(b)中，发射角不包括零发射角，以便产生环形形状的第一激光束光斑，例如图3B到3D所示的光斑。
为了说明和描述的目的，提出了本发明的一个或多个实施方式的前述描述。它并非意图为排他的或将本发明限制到所公开的精确形式。按照上面的教导，很多修改和变化是可能的。旨在本发明的范围不被这个详细描述所限制而更确切地由附到其的权利要求限制。

Claims (39)

1.一种用于改变激光束的光束参数积的光学器件，所述光学器件包括：
输入端口，其用于将所述激光束输入到所述光学器件中；
光束发射器，其被光学地耦合到所述输入端口；以及
光波导子组件，其被光学地耦合到所述光束发射器，所述光波导子组件包括：
光波导，其具有第一端和第二端、芯和包围所述芯的包层，所述芯和所述包层在所述光波导的所述第一端和第二端之间延伸；以及
出射透镜，其被耦合到所述第二端，并具有不大于10.0mm的焦距，其中所述出射透镜包括耦合到所述光波导的第一梯度折射率光学元件和耦合到所述第一梯度折射率光学元件的第二梯度折射率光学元件，其中所述第一梯度折射率光学元件的径向梯度折射率分布实质上是非抛物线的，用于产生像差；以及，其中所述第二梯度折射率光学元件的径向梯度折射率分布实质上是抛物线的，用于产生所述激光束的可变发散度和可变激光束腰直径的所期望的混合；
其中所述光束发射器被配置成用于将所述激光束以会聚角和发射角发射到在所述光波导的所述第一端处的所述光波导的所述芯中，其中所述光束发射器被配置成改变所述会聚角和所述发射角中的一个或多个；
其中在操作中，所发射的激光束从所述光波导的所述第一端传播到所述光波导的所述第二端，并穿过所述出射透镜，形成接近所述出射透镜的第一激光束腰，所述第一激光束腰具有直径，
其中在所述光波导的所述第二端处的局部射线角的分布，关于接近所述第二端的波导轴，实质上是旋转对称的，
其中当所述光束发射器改变所述会聚角和/或所述发射角时，所述第一激光束腰的直径改变，从而改变离开所述出射透镜的所述激光束的光束参数积。
2.如权利要求1所述的光学器件，其中所述光波导是阶跃折射率波导。
3.如权利要求2所述的光学器件，其中所述出射透镜被刚性地安装到所述光波导。
4.如权利要求3所述的光学器件，其中所述出射透镜与所述光波导成一整体。
5.如权利要求4所述的光学器件，其中所述出射透镜是梯度折射率透镜、梯度折射率波导件或具有弯曲外部光学表面的端盖。
6.如权利要求1所述的光学器件，其中所述出射透镜是梯度折射率透镜或梯度折射率波导件，其中所述出射透镜的长度不是四分之一节距或其奇数整数倍，其中所述出射透镜具有折射率分布，使得当其在四分之一节距的长度中使用时，将产生不大于10mm的焦距。
7.如权利要求1所述的光学器件，其中所述第一梯度折射率光学元件具有半节距长度的一倍或整数倍的长度，以及其中所述第二梯度折射率光学元件具有四分之一节距长度的一倍或奇数整数倍的长度。
8.如权利要求2所述的光学器件，其中所述光束发射器包括用于将射到其上的所述激光束发射到所述光波导的所述第一端中的入射透镜，以及用于提供在所述激光束和所述入射透镜的光轴之间的可变横向位移的移动装置。
9.如权利要求8所述的光学器件，其中所述入射透镜和所述出射透镜分别被刚性地安装到所述光波导的所述第一端和所述第二端。
10.如权利要求9所述的光学器件，其中所述入射透镜相对于所述光波导的所述芯横向偏移，用于将所述激光束发射到所述芯中，以在所述芯中产生歪斜射线；或其中所述入射透镜是梯度折射率透镜或一段梯度折射率光纤，且所述入射透镜的外部小面倾斜，用于将所述激光束发射到所述芯中，以在所述芯中产生歪斜射线；或其中所述激光束具有可变横向位移并且倾斜地被发射到所述入射透镜中，用于将所述激光束发射到所述芯中，以在所述芯中产生歪斜射线。
11.如权利要求9所述的光学器件，其中所述入射透镜和所述出射透镜与所述光波导成一整体。
12.如权利要求9所述的光学器件，其中所述入射透镜和所述出射透镜具有相同的焦距。
13.如权利要求9所述的光学器件，其中所述入射透镜和所述出射透镜是梯度折射率透镜、梯度折射率波导件或具有弯曲外部光学表面的端盖。
14.如权利要求9所述的光学器件，还包括分别被熔合到所述入射透镜和所述出射透镜的外表面的第一端盖和第二端盖。
15.如权利要求14所述的光学器件，其中所述第一端盖和所述第二端盖的外部光学表面弯曲，以分别便于所述激光束到所述光波导的所述第一端中的聚焦和离开所述光波导的所述第二端的所述激光束的准直。
16.如权利要求8所述的光学器件，其中所述移动装置包括被布置在所述入射透镜的上游的用于横向移动所述激光束的横向可移动透镜或光楔。
17.如权利要求16所述的光学器件，还包括挠性底座，用于可移动地安装所述横向可移动透镜或光楔。
18.如权利要求2所述的光学器件，其中所述芯具有非圆形横截面，便于在所述光波导的所述第二端处形成所述激光束的强度的实质上均匀的径向分布，从而便于在所述第一激光束腰处均匀分布射线角。
19.如权利要求18所述的光学器件，其中所述非圆形横截面是正方形、长方形、三角形、六角形、八角形、D形、波浪形、尖头形或星形。
20.如权利要求2所述的光学器件，其中所述包层具有至少250微米的直径。
21.如权利要求20所述的光学器件，其中所述包层包括SiO2包层。
22.如权利要求21所述的光学器件，其中所述光波导在其第一端和其第二端之间的长度是至少1m。
23.如权利要求1所述的光学器件，其中所述光波导包括用于控制所述激光束的偏振的偏振维持波导、偏振化波导、手性波导或旋转波导。
24.如权利要求1所述的光学器件，其中所述光波导是双包层波导、多包层波导、光子晶体波导或微结构化的波导。
25.如权利要求1所述的光学器件，还包括耦合到所述光波导的振动单元，所述振动单元用于在所述激光束被发射到其中时振动所述光波导，以减小所述第一激光束腰处的光束散斑结构。
26.如权利要求25所述的光学器件，其中所述振动单元是声换能器、超声换能器或机械振动器。
27.一种用于改变激光束的光束参数积的光学器件，所述光学器件包括：
输入端口，其用于将所述激光束输入到所述光学器件中；
光波导子组件，其被光学地耦合到所述输入端口，所述光波导子组件包括具有第一端和第二端的光波导和被耦合到所述第二端的出射透镜，
其中所述出射透镜具有不大于10.0mm的焦距，所述出射透镜包括耦合到所述光波导的第一梯度折射率光学元件和耦合到所述第一梯度折射率光学元件的第二梯度折射率光学元件，其中所述第一梯度折射率光学元件的径向梯度折射率分布实质上是非抛物线的，用于产生像差；以及，其中所述第二梯度折射率光学元件的径向梯度折射率分布实质上是抛物线的，用于产生所述激光束的可变发散度和可变激光束腰直径的所期望的混合；以及
发散度调节元件，其被耦合到在所述第一端和所述第二端之间的所述光波导，用于调节所述光波导的内部的所述激光束的发散度，从而改变离开所述出射透镜的所述激光束的腰直径和/或发散度，从而改变离开所述出射透镜的所述激光束的光束参数积。
28.如权利要求27所述的光学器件，其中所述发散度调节元件包括被耦合到所述光波导的机械压制器单元，用于在所述光波导中产生微弯，从而增加在所述光波导的内部的所述激光束的发散度。
29.如权利要求27所述的光学器件，其中所述光波导包括：分别耦合到所述第一端和所述第二端的第一阶跃折射率波导节段和第二阶跃折射率波导节段，以及耦合在所述第一阶跃折射率波导节段和所述第二阶跃折射率波导节段之间的第三梯度折射率波导节段；
所述发散度调节元件包括用于分别改变所述梯度折射率波导节段的温度或长度的加热器或机械应力单元，从而改变在所述光波导的内部的所述激光束的发散度。
30.如权利要求27所述的光学器件，其中所述第一梯度折射率光学元件具有半节距长度的一倍或整数倍的长度，以及其中所述第二梯度折射率光学元件具有四分之一节距长度的一倍或奇数整数倍的长度。
31.一种用于在可变光束参数积下将激光束传送到目标的激光束传送系统，所述激光束传送系统包括：
如权利要求1所述的光学器件；以及
加工头，其被耦合到所述光学器件，所述加工头包括被耦合到所述出射透镜的聚焦元件，用于使所述第一激光束腰成像到目标上或目标附近的第二激光束腰上。
32.如权利要求31所述的激光束传送系统，其中被定义为所述第二激光束腰和所述第一激光束腰的直径之比的所述聚焦元件的成像放大因子，实质上与在焦平面处的所述激光束的发散度的变化无关。
33.如权利要求31所述的激光束传送系统，还包括：
照相机，其用于使所述第二激光束腰成像；
控制器，其被耦合到所述照相机和所述光束发射器，用于确定由所述照相机成像的所述第二激光束腰的直径，其中所述控制器被配置成使所述光束发射器调节所述激光束的会聚角和/或发射角，以达到在所述目标上的所述第二激光束腰的直径的预定值。
34.如权利要求31所述的激光束传送系统，还包括用于提供传送到所述目标的所述激光束的可控中断的快门盒，其中所述光学器件的所述光束发射器被布置在所述快门盒中。
35.如权利要求31所述的激光束传送系统，还包括耦合到所述光学器件的输入端口的输入光纤，其用于将激光器所发射的所述激光束传送到所述输入端口。
36.如权利要求31所述的激光束传送系统，还包括拉曼滤波器，用于抑制在所述光波导中由所述激光束的拉曼散射产生的光。
37.一种用于改变激光束的光束参数积的方法，所述方法包括：
(a)提供具有第一端和第二端、芯和包围所述芯的包层的光波导和被刚性地安装到所述第二端的出射透镜，其中所述出射透镜具有不大于10.0mm的焦距，所述出射透镜包括耦合到所述光波导的第一梯度折射率光学元件和耦合到所述第一梯度折射率光学元件的第二梯度折射率光学元件，其中所述第一梯度折射率光学元件的径向梯度折射率分布实质上是非抛物线的，用于产生像差；以及，其中所述第二梯度折射率光学元件的径向梯度折射率分布实质上是抛物线的，用于产生所述激光束的可变发散度和可变激光束腰直径的所期望的混合，所述芯和所述包层在所述光波导的所述第一端和所述第二端之间延伸；
(b)将所述激光束以会聚角和/或发射角发射到所述光波导的所述第一端中；
(c)使在步骤(b)中发射的所述激光束在所述光波导中从所述第一端传播到所述第二端，以便使由所述光波导引导的所述激光束的射线角能够在所述第二端处形成实质上旋转对称的分布，同时实质上维持局部射线角的幅度相对于所述光波导的光轴的分布；
(d)引导所述激光束穿过所述出射透镜，在离开所述出射透镜的所述激光束中形成第一激光束腰，其中由于在步骤(c)中形成的所述光波导的所述第二端处的所述局部射线角的旋转对称性，所述第一激光束腰实质上是旋转对称的；以及
(e)改变所述会聚角和/或所述发射角，以改变离开所述出射透镜的所述激光束的光束参数积。
38.如权利要求37所述的方法，其中在步骤(b)中，所述发射角大于所述会聚角，以便在所述出射透镜的下游产生环形光斑。
39.如权利要求37所述的方法，其中所述第一梯度折射率光学元件具有半节距长度的一倍或整数倍的长度，以及其中所述第二梯度折射率光学元件具有四分之一节距长度的一倍或奇数整数倍的长度。
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